Квантовата механика в смартфона Ви: Как цифровата информация се съхранява посредством квантово тунелиране

В смартфоните ни има милиарди клетки памет, съхраняващи дигиталната информация в него. Ключово за всяка клетка е дебелината на диелектричната стена, съставена от между 75 и 100 атома и това съвсем не е случайно. Ако структурната ѝ стена е по-тънка или дебела от този диапазон, клетката няма да функционира. Но защо? Това е интригуващ въпрос с на пръв поглед елементарен отговор, а именно: заради прехода на електрони, подчинен на квантовата механика, по-конкретно феномена на квантово тунелиране. Разглеждайки го по-задълбочено, съвсем не е толкова просто, колкото изглежда. Повече за архитектурата на SSD, квантовото тунелиране, използвано за пренос и съхранение на информация в смартфоните, и нобеловите лауреати в областта на физиката, за приложението на квантовото тунелиране в полупроводници и свръхпроводници ще научите в следващите редове.

Разбира се, квантовата физика съвсем не е елементарна и навлизайки в дълбините на субатомните частици, откриваме напълно нов свят, различен от познатия ни, базиран за законите от конвенционалната физика. Все пак един прост пример, обясняващ идеята на квантовото туелиране е прекосяването на планина. За да се премине, първо трябва да се изкачи, след което да се спусне, което е дълъг и времеемък процес. Когато обаче се прокопае тунел през нея, времето и усилията се съкращават значително. Това е отдавна позната концепция за пътно-транспортното строителство. В „света“ на частиците идеята е същата – е, с известни разлики в реализацията.

Когато правим снимка, изпращаме съобщение, сваляме приложение, използваме браузър и т.н., цифровата информация от всяко действие се запазва в микрочипа на смартфона. Неговата архитектура е не по-малко забележителна от възможността на електроните да преминават през бариери посредством модулация на енергийните им нива.

Микрочипът (SSD контролерът) на съвременните смартфони се състои от пакет с полупроводникови елементи, т.нар. чиплети.

SSD (Solid state drive), в превод статично или още полупроводниково дисково устройство, е енергонезависима памет, основаваща се на технологията на флашпаметите. То не съдържа подвижни механични части за разлика от твърдите дискове (HDD), а това елиминира закъснението при четене на информация и повишава значително скоростите на работа. Наименованието „solid state“ се използва за означение употребата на полупроводников материал (силиций (Si)).

Разглеждайки чиплет от този клъстер от наноскопски изглед ще открием масивна площ от милиарди клетки памет, пакетирани в 100 слоя във височина, съставени от 40 000 колони на ширина и 50 000 реда. Тези клетки се наричат „charge trap flash“, или с други думи съхраняват зарядите. Всяка клетка памет съдържа „капан за заряд“ с различни енергийни нива на електроните, които се използват за съхранение на 3 bit информация. Важният въпрос е как инженерите успяват да създадат структура от милиарди наноскопични клетки с „резервоари за енергия“ и да осигурят преноса и съхранението на информацията? Всеки от „резервоарите“, съхраняващи електронен заряд, е изолиран от диелекрични стени.

Тук се появява въпросът как електронът може да премине от канала в „капана за заряд“ през диелектричните стени? С други думи, как се пренася информация между клетките памет? Отговорът се крие именно в модулацията на енергийни нива и тунелирането. В класическата механика електроните са фиксирани в пространството на най-ниското си енергийно ниво. Диелектрикът е изолатор, съответно представяйки си аналогията с долина, в която се съхраняват електроните, диелектричната стена ще е планина, чиято височина е по-голяма от тази на енергийното ниво на електрона. За да се премине диелектричната бариера, електронът трябва да се възбуди до много високо енергийно ниво и да разруши стената, за да премине. Това обаче не е опционално решение, тъй като ролята на диелектрика е съществена и нарушаването на целостта му води до пробив/разряд (в зависимост от агрегатното състояние на диелектрика).

Отговорите, които ни дават законите на квантовата механика

Решението се открива в законите на квантовата механика, според които електроните не са фиксирани в точка от пространството, а обикалят в „електронен облак“, определящ вероятното им местоположение във момент от време. И така според квантовата механика, ако се създаде достатъчно напрежение в този облак и диелектричната стена е достатъчно тънка, зарядите могат да преминат от канала през нея до „капана за заряд“ (канал с отрицателни заряди – диелектрична стена – „капан за заряди“ – диелектрична стена – гейт, който съхранява положителни заряди). Този феномен се нарича квантово тунелиране. Приложението му за съхранение на информация е разработено от теоретичния физик Лотар Нордхайм (Lothar Wolfgang Nordheim) и физикът Ралф Х. Фаулър (Ralph H. Fowler).

Благодарение на квантовото тунелиране, всеки път когато направим снимка, информацията за нея се съхранява безпроблемно в клетките памет. Разбира се, реализацията на този процес е съпътствана от употребата на сложен математически апарат, най-важното от който е точните размери на ширината на всеки от сегментите (дименсията на размерите е nm). Затова е важно дебелината на диелектричната стена да бъде в границата от 75 до 100 атома. Приложението на феномена „квантово тунелиране“ дава значителен тласък за развитието на електрониката.

Любопитно за Нобеловите награди

През 1973 г. Лео Есаки, Айвър Джайъвър и Джон Робърт Шрифер печелят Нобелова награда за: „Eкспериментални открития на тунелни явления в полупроводници и свръхпроводници“.

Лео Есаки е японски физик в областта „Физика на твърдите тела“ и изследовател на свръхпроводимостта. Работата му в областта на квантовата механика е съсредоточена върху феномена на тунелирането, при което вълнообразният характер на материята позволява на електроните да преминават през бариери, които според законите на класическата механика са непроницаеми. Той измисля начини за модифициране на поведението на полупроводниците в твърдо състояние чрез добавяне на примеси.

Айвър Джайъвър изследва възможните приложения на работата на Есаки в тунелирането към свръхпроводниковата технология. Той комбинира двете концепции за производство на свръхпроводникови устройства, които пренебрегват приетите по-рано ограничения и позволяват на електроните да преминават като вълни от радиация през „дупки“ в твърдотелни устройства. Използвайки „сандвич“ от изолирано парче свръхпроводящ метал и обикновен метал, той постига нови тунелни ефекти, които водят до по-добро разбиране на свръхпроводимостта и са в подкрепа на теорията за свръхпроводимостта или още наричана теория на BCS, за която Джон Бардийн (B), Леон Купър ( C) и Джон Робърт Шрифер (S) печелят Нобелова награда за физика през 1972 г.

Източник на информация: YouTube: Branch Education: The Engineering Puzzle of Storing Trillions of Bits in your Smartphone / SSD using Quantum Mechanics, Britannica, wikipedia.org

Източник на снимковия материал: YouTube: Branch Education: The Engineering Puzzle of Storing Trillions of Bits in your Smartphone / SSD using Quantum Mechanics, ©Engineer BG via Canva.com